华北电力大学本科毕业设计（论文）

摘 要内河运输作为组成现代运输体系一部分，相较于其他运输方式，它具有运量大、占地少、低能耗等优势。加快内河运输的发展，使其与航空、铁路、公路、管道等运输方式有效地结合，发挥各种运输方式的优势和组合效益，有助于交通运输结构的优化，社会综合物流成本的降低，交通运输发展方式的转变。因此，内河运输对于我国国民经济的可持续发展有着不可替代的作用。目前，长江干线已成为世界上运量最大、运输最繁忙的通航河流，对促进长江经济带的协调发展发挥了重要作用。但近些年，由于长江航运的不断发展壮大，遇到了一些亟待解决的问题，诸如航道通航能力低下，制约了航运的发展；长江航道变得更加拥挤，致使船舶会遇、碰撞几率日趋增大，这给长江航运带来了大量的安全隐患。而长江航道通航能力和通航水流条件研究，对于规避运输风险，确保航运安全，提高运输效率，建立高效的管理机制，实现长江水路交通智能化有着举足轻重的作用。本文主要论述了长江江津至重庆航段158m、166m、172m、185m流量级下的通航水流条件研究，基于河道水动力学模型的计算结果，分别对航深、航宽、弯道半径、桥梁净空及水流流速、流态等方面的因素进行分析，确定不同流量级下3000t级船舶的适航范围。通过ArcGIS软件，利用多点型数据生成数据栅格图，剪切出航道水深和流速的栅格图,绘制出不同流量级下的等水深和等流速线图，使其可视化，然后按照内河通航标准，划分出适航区域，并求出其水面面积占比。本文的论述，对于今后该段航道的管理提供了基本的理论依据。关键词：江津至重庆航段，通航水流条件，不同流量级，适航范围ABSTRACTAs a part of the modern transportation system, inland river transportation has the advantages of large transportation volume, less space and low energy consumption compared to other modes of transportation. Accelerating the development of inland waterway transport, which effectively combined with aviation, railways, highways, pipelines and other modes of transport, and plays a variety of modes of transport advantages and combination of benefits. It will be good for the transportation structure optimization, social logistics cost reduced and changes of the development mode of transportation. So, the inland transportation has the irreplaceable function to the sustainable development of our national economy. At present, the Yangtze River route has become the largest traffic and the busiest navigable river in the world, which plays an important role in promoting the coordinated development of the Yangtze River economic belt. But in recent years, due to the continuous development of the Yangtze River shipping, there appear some encountered problems to be solved, such as the development of shipping is seriously hampered by the low navigable, and Yangtze River waterway becomes more crowded, which increases the probability of the collision. These problems do harm for the shipping of the Yangtze River. At the same time, our country is so weak in the channel management, navigation warning, water rescue, security assurance , which brings a lot of Bring safe hidden troubles to the Yangtze River shipping. And researching navigable flow conditions of the upper reaches of the Yangtze River waterway plays a role in avoiding the risk of transportation , ensuring the navigation safe, improving the transport efficiency and establishing an efficient management mechanism.This paper mainly discusses the navigation flow condition of different traffic level, like 158m.166m.172m and 185m in the Yangtze River from Jiangjin to Chongqing. Analyzing the waterway depth, waterway width, bend radius, bridge clearance and flow velocity and determining the seaworthy range in the different traffic level for 3000t ship based on results of hydrodynamic model for river. And using multi-point type data to generate grid, cutting channel depth and velocity of grid and plotting the contour and velocity contour in the map by ArcGIS .Finally, dividing the navigable area according to the standard of river navigation. This paper provides the basic theoretical basis for the management of the channel in the future.Key words: Jiangjin to Chongqing leg, the navigable flow condition, the different traffic levels, the scope of the navigable目 录摘 要IABSTRACTII第1章 绪论11.1 选题背景和意义11.2 国内外研究现状11.3 设计（论文）的主要研究内容及预期目标11.4 本文文章结构1第2章 内河航道船舶通航能力分析12.1 各国内河通航标准分析12.2 内河航道的通航能力和影响因素研究12.2.1 内河航道通航能力概念12.2.2 内河航道通航能力计算12.2.3 内河航道通航能力影响因素12.3长江江津至重庆航段航道尺度12.3.1 航道水深12.3.2 航道宽度12.3.3 航道弯曲半径12.3.4 跨河建筑物的净空尺度1第3章 长江江津至重庆航段不同流量级适航范围13.1 通航环境13.1.1 地理特征13.1.2 水文特征13.1.3 通航环境分析13.2数据处理方法与过程13.2.1 基本数据的生成13.2.2 数据处理过程及地形图的生成13.3 不同流量级下航道的适航范围13.3.1 158m流量级下航道适航范围13.3.2 166m流量级下航道适航范围13.3.3 172m流量级下航道适航范围13.3.4 185m流量级下航道适航范围1第4章 结论与展望14.1 结论14.2 展望1参考文献1致谢1III华北电力大学本科毕业设计（论文）第1章 绪论1.1 选题背景和意义长江，总流域面积近1800000km，其干流总长为6397km，为我国第一大河，居世界第三位，其与黄河、淮河、海河、珠江、松花江、辽河通称为中国7大河。长江发源于被誉为“世界屋脊”的青藏高原，其干流贯穿我国第一、第二和第三阶梯，共经过我国11个省市自治区，经上海崇明岛注入东海1，是我国西部、中部和东部水上交通的大动脉,同时也是连接西中东部经济联动发展的黄金纽带。长江经济带作为我国覆盖范围最广、惠及人口最多的一个经济发展区域，它发展好与坏，对我国国民经济有着巨大的影响。除此之外，作为我国内河货运量最大的河流，加快长江航道的标准化建设和推动长江航运的进一步发展，不但对长江经济带的发展有着巨大的推动作用，而且对协调我国区域间发展、减小各地区的发展差距有着极其重要的意义。从另一个角度来讲，长江航运的发展是确保我国社会稳定和实现共同富裕这一宏伟目标的关键因素之一。长江上游从源头到湖北宜昌，全长4511km，流域范围面积宽广，包含青藏高原，东至湖北宜昌，北到陕西南部，南至云南以及贵州北部的广大地区。其作为我国西部大开发的重要地区，同时又是长江上游经济带，交通的发展显得尤为重要。同时由于西部地区属于我国第一和第二阶梯，大部分为高山、峡谷地区，不宜发展铁路与公路运输，而水上运输载运量和运输成本方面有着巨大的天然优势。另外，长江丰富的水利条件、便捷的水上交通和其巨大的内河运输能力是其他运输方式所不能比拟的，使得长江上游航运成为发展交通的重中之重2，它对于沿江城市的经济发展有着巨大的推动作用。长江上游主要流经我国的第一、第二级阶梯，该地区主要是高原、山区组成，因此，长江上游河段为典型的山区河流，具有弯、浅、险、窄、急的典型特征3。伴随着经济的快速发展，长江航运变得愈加繁忙，船舶数量大幅度增加，危险物品的运载量持续增长，长江航道变得愈加拥堵，从而导致航运效率的低下，发生航运事故的机率也大大增加，很大程度地影响了船舶的航行安全和长江的生态环境。然而，我国在支持保障系统的设施建设和装备水平仍然较为落后，大部分航段监管还以原始的现场监督为主，严重缺乏应对突发情况的处理手段。另外，在航运管理方面信息化程度不高，数字化航道的建设严重落后于航运发展的需要。除极少的一部分航段外，大部分长江干线水域还没有建立起水上救援打捞和防止水体污染的体系机制。为了改善和提高航道条件和航道等级，建立更加安全可靠的信息化管理平台，更好地服务于西部大开发战略的实施，进一步促进长江上游区域经济的发展，航道水流条件的研究显得尤为必要。它可以通过科学的研究方法，对原始资料的收集和处理，得出整个上游航道的适航条件，规避潜在的航运风险，减少水运事故的发生，降低水运损失，提高航运效率和保障航运安全。最终达到水路交通智能化的目标。1.2 国内外研究现状通航水流条件进行研究是基于河道水动力学模型的计算结果，分别对航深、航宽、弯道半径、桥梁净空及水流流速、流态等方面的因素进行分析，确定3000t级下的适航范围4。在我国，内河航道通航总里程居世界内河第一位，水运对我国经济起着举足轻重的作用。长江上游主要是山区河流，河道弯曲，险滩密布，水流较为湍急，严重威胁着航运安全。航道水深是由船舶的吃水深度和富裕水深两部分共同组成,富裕水深包括了船舶的下沉量、通航建筑物营运过程中引起的水位变化、船行波以及触底安全富裕量5；航道的有效宽度是由航迹带宽度、船舶间的富裕宽度和船体与航道边缘的富裕宽度几部分共同组成。船舶在弯曲航道的安全航行需要满足一定的航行宽度和水深要求，另外，航道的弯曲半径不可以过小6。对于急弯河段航道而言，由于弯曲半径过小，加之弯道水流流速的分布不均以及流向的不断变化，使得船舶运动状态变得非常复杂，不但需要不停地调整航行方向以使船舶顺着弯道行驶，还要绕其本身重心不停地转动，船舶的操作难度增加7。船舶通过弯曲航道时，船舶的航迹带宽度和附加航宽会随着弯道的曲率半径和水流状态变化而变化，弯道的曲率半径愈大，水流愈平缓，船舶过弯道时的航迹带宽度和附加宽度就越小。另外，船舶尺度越大，其航迹带宽度和附加航宽也越大8。为保证船舶安全通过弯道，需要增加航道的宽度。美国在航道规划与治理方面起步较早，从上世纪三十年代初，美国的相关专家对其国家的内河航道制订了非常全面的规划9。他们进行了很多的河道治理工程，诸如把航道裁弯取直、疏浚航道和炸沉暗礁等。另外，他们在大部分河流上通过构筑闸坝、渠化航道、壅高航道水位等手段来增加航深、航宽、减小水流流速，从而达到改善天然航道航行条件的目的。与此同时，他们还开挖了很多人工运河，耗费了近半个世纪的时间，才形成了现在比较通达的内河运输网络体系。莱茵河是欧洲西部最大的河流，其流经奥地利、法国、德国和荷兰等欧洲发达国家，在鹿特丹以西流入北海，全长共1320km10。莱茵河因为充沛和均匀水量，使它成为了世界上航运价值和利用率最高的河流中的一员。在整个航道开发过程中，沿途的各个国家都采取了大量的工程设施，诸如修建堤防、围堰、大坝以及河道疏浚、裁歪取直、截断小支流和建筑导流墙、冲刷回填、滩地堤等，通过这些措施来改善水流条件，壅高水位，增加航宽。各种的措施的实施对于莱茵河货运量的提升提供了巨大的帮助，也进一步推动了莱茵河航运业的蓬勃发展。在内河航运监管体系建设方面，目前我国已初步建立的有船舶交通管理系统（VIS），该系统主要是为了确保船舶航行安全、提高航运效率和保护环境等，但是该系统具有一定的不足：跟踪精度较其他系统低；另外，在不利的天气条件下，系统的可靠性不高，容易遭到人为的影响11-12。船舶自动识别系统（AIS），该系统集合了多种技术，它通过广播的形式为附近的船舶信息，使船舶在行驶过程中不断调整航行状态，从而规避潜在的风险，确保了船舶的航行安全。闭路电视系统（CCTV），该系统对于海事监管部门的工作有极大的帮助，它可以对水上交通进行实时的监测，还可以保存影像，对于处理水上事故提供佐证。由于多种监管系统的共存，各系统的融合研究变得异常重要。VTS和AIS的融合13-14，使它们可以形成很好的互补，将各自的优势发挥到最大。这种多维度的监管，为确保内河水运安全提供很好的系统支持。1.3 设计（论文）的主要研究内容及预期目标本文对长江江津至重庆段航道的通航水流条件进行研究，收集该段航道通航水流条件基础数据和处理，利用ArcGis软件将已有的数据输入并进行绘图。通过不同的颜色标注，分别将通航航道对航深、航宽、弯道半径、桥梁净空及水流流速、流态用图画的方式显示出来，然后进行叠加，即可得到该段航道的适航范围。此外，利用先进的信息、空间技术实现船舶定位、通讯、查询、监控、预警、应急救援等功能，为航运管理提供全面高效、行之有效的信息化管理手段，最终达到水路交通智能化，是航运管理的目标和方向。1.4 本文文章结构本文的研究思路与文章结构如图1-1所示。图1-1 文章结构图第2章 内河航道船舶通航能力分析2.1 各国内河通航标准分析内河航道是指能够满足船舶航行并能确保其安全的，具备足够的航道水深、航道宽度、净空尺度和弯曲半径的内河水域。由于标准的不同，航道的分类也大相径庭，按照航道的管理性质可以分为专用航道、地方航道和国家航道；按照航道的成因可以分为天然航道、人工开凿航道和渠化航道；按照航道所在的位置可以分为内河航道和沿海航道；此外，按照航道所在航段处的特点不同，又可分为桥区航道、港区航道和坝区航道等15。世界各国的内河通航标准都有着一定的不同之处，俄罗斯的内河水道等级划分与桥梁通航净空标准将该国的内河航道划分为7个等级，全国重要的长途水运干线定为一级航道；连接各大经济区的水运干线定为二、三级航道；区内地方性航道定为四、五级航道；一般的交通直线定为六、七级航道。欧洲是按照典型的船舶吨位、船舶型号和船队尺度来划分内河通航标准的。典型的船型有两种，分别为分节驳与机动驳；有三种主要的运输方式，分别为机动驳、分节驳顶推与机动驳顶推，它的内河通航标准分为东欧和西欧两类共7个等级，在一、二、三级航道划分上，东西欧的典型船舶尺寸、满载重量和通航净高方面都不相同；在四、五、六、七级航道上分别通航航机动驳和顶推船队，并且主要以顶推船队来划分国际航道等级16。美国的内河通航标准是按照航道的水深区分的，共分了5个等级，水深大于或等于4.27m的航道为一级航道，水深在3.66m到4.27m为二级航道，水深在2.74m到3.66m的是三级航道，水深在1.83m到2.74m的是四级航道，水深1.83m一下的是五级航道。此外，在天然河道上架设的桥梁，同行的宽度是标准法定航道通航宽度的1倍到1.7倍，在渠化河道架设的桥梁，通航宽度则成为标准法定航道通航宽度的1.7倍到3倍17。在通航标准的制定方面，各国都是将航道划分为不同的等级，即使在划分方法和标准存在不同，但是在基本的划分过程中所考虑的主要影响因素是相同的，即航道通航水深、航道通航宽度、通航净高净跨、航道通航曲率半径以及船型尺度等因素。因此，在通航标准的制定上，各国都是将航道进行等级划分，虽然划分的方式存在不同，但在划分的过程中，主要考虑的一些影响因素是一致的，如航道水深、航道宽度、通航净高净跨、航道曲率半径以及船型尺度等因素。因此，本文通航能力分析主要基于我国内河通航标准规范，并从航深、航宽、弯道半径、桥梁净空及水流流速、流态等方面的因素进行分析。为进一步完善我国的内河通航体系标准，加快内河通航的系统化和现代化建设步伐，充分发挥内河运输的巨大优势，以适应我国交通运输的发展需要，2004年我国正式颁布内河通航标准的国家标准，按照内河通航标准以我国内河航道可通航的船舶吨级来划分，共分为7个等级，并根据典型船舶、船队尺寸和航道尺寸进行了相应的规范18，相应规范如图表2-1所示；天然和渠化河流航道断面图如图2-2所示。2-1天然和渠化河流航道尺度航道等级船舶吨级t代表船型尺度m（长*宽*设计吃水）代表船舶、船队船舶、船队尺度m（长*宽*设计吃水）航道尺度水深直线段行宽单线双线弯曲半径3000驳船90.016.23.5货船110.016.23.0406.064.83.53.54.01252501200316.048.63.5100195950223.032.43.5701356702000驳船75.016.22.6货船90.016.22.6390.048.62.62.63.0100190810186.032.42.670130560182.016.22.640755501000驳船67.510.82.0货船85.010.82.0238.021.62.02.02.455110720167.021.62.04590500160.010.82.03060480500驳船45.010.81.6货船67.510.81.6167.021.61.61.61.94590500112.021.61.64080340111.010.81.6305033067.510.81.6300驳船35.09.21.3货船55.08.61.394.018.41.31.31.6357028091.09.21.3224027055.08.61.3100驳船32.07.01.0货船455.51.0188.07.01.01.01.2153018045.05.51.050驳船24.05.50.7货船32.55.50.7145.05.50.70.70.9122413032.55.50.7图2-2 天然和渠化河流航道横断面图江津至重庆航段位于长江上游，由于河道整治和三峡水利枢纽的修建，航道通航条件大为改善，按照上述规范要求该段航道可升级为国家一级航道，大部分时段可满足3000t级船舶通航。2.2 内河航道的通航能力和影响因素研究2.2.1 内河航道通航能力概念在传统意义的角度上讲，内河航道通航能力的概念在宏观的交通领域被定义为：在航道的控制段（如闸坝区、桥梁区、险滩狭窄航段等）上按照枯水期的航道条件，一年之中能够双向通过的货物重量或者船舶的数目，一般情况下，按照年均运输的物品总量作为计量单位（万吨/年），或者还可以按照航道通过的船舶数量作为计算单位（艘/年），是一个体现航道过货能力的标尺19。然而在现实情况中，航道船舶的通航能力应该扩展到船舶驾驶员的行船领域，当有关专家站在船舶驾驶员的角度和立场上，通过理论分析和现场实验的方法，允许航道通过最大船舶的尺度和确保通航安全等问题进行了相关的研究，深入挖掘船舶航道的通航能力对于驾驶员的影响，该研究可以对在内河航道行驶中的船舶驾驶员起到一定的指导作用。如果将这层含义加入到航道通航能力中，其含义也将得到扩展，但是因为没有人提出一个明确的概念，使得人们将航道通航能力仅局限在宏观交通规划的意义上。2.2.2 内河航道通航能力计算在内河航道通航能力的计算方面，在近几十年里，各国专家在相关领域都做了非常多的研究，同时并获得了一系列的研究成果。尤其是国外那些内河航运发达的国家和地区，如俄罗斯和欧洲等国，他们在利用计算模型和计算机模拟等方法进行理论研究的同时，还开发出了适应于各国实际情况的计算方法，并进行了成功的实践，这些方法包括西德公式20、波兰公式等。相较于国外，由于我国内河航运发展的研究相对较晚，对于内河航道通航能力研究处于零散的研究状态，在一些基础的工作方面都显得十分薄弱，有待加强。在我国以往的内河航道规划与建设方面，还没有形成一个统一规范的计算内河航道通航能力公式，只是借鉴了国外的相关经验公式，或者利用其推导出来的一些公式，如川江航道通航能力公式和其敞流航道的通航能力公式等。2.2.3 内河航道通航能力影响因素对于航行在航道上的船舶或者船队，影响其通航能力与航运安全的因素有很多，如航道的通航等级、航道所处的地理环境、交通环境、船舶航行的方式、人为因素等21。以下是建立在船舶流的航道通航能力计算模型之上，系统地分析航道船舶通航能力的部分影响因素，选择合理的修正系数，以达到准确计算出航道通航能力的目的。计算公式22如下: Qb=24i=1mj=1nPjVjlj （2-1）式中：Qb航道基本通过能力，（艘次）/d； m船舶上行过下行的通道数目； n航道上船舶类型的数量；Pj船舶流中第j中船舶（队）的分布；Vj船舶流中第j中船舶（队）的平均航速，km/h；lj船舶流中第j中船舶（队）的船舶领域纵长，km。由于该模型是建立于航道和交通都处于理想条件下，各种类型的船舶都以最小船间距连续不断的航行，描述的是单位时间内通过航道控制段的最大的交通流量，计算的是航道的基本通航能力，仅可作为对航道通航能力的估算结果。为了能够更加真实反映一些外部因素对航道通航能力的影响，通过使用修正模型系数的方式来体现。即航道的实际通过能力可用下式表示: Q=kiQb （2-2）式中: Q航道控制段的实际通过能力；Qb航道控制段的基本通过能力；ki通过能力修正系数；（1）水文和气象条件由于一些水文和气象因素（洪水、干旱、大风等）致使航道封航，从而使得全年的通航时间减少，导致通航能力减低，该影响可以使用通航修正系数k1修正。k1是全年可航行小时数与全年小时数的比值，在应用中其值，按照航道等级来确定，如图2-3所示。表2-3天然河流设计最低通航水位保证率频率法航道等级、多年历时保证率(%)9895989095（2）人工环境因素人工环境主要是指涉及到人为因素的水运交通环境23，其主要表现在两大方面：其一是由于人工环境的改变，是的航道通航变得更加安全、高效，减少了因水运事故而发生的阻航问题，从而大大提高了航道的通航能力。其二是人工环境的改变（驾驶人员的技能、文化素质的提高）也改变了船舶的行为，使得水上交通更加规范，有秩序，由此来改变航道的通航能力。目前人工环境因素对航道通航能力的影响只考虑航道规范修正系数k2来修正。对于实施了船舶定制线的航道，k2取1.0；未实施船舶定制线的航道，k2定义为相似航道在实施定制线前后所发生的水运事故数比值。（3）交通环境因素交通环境因素对于航道通航能力的影响主要体现在一些微观层面，如各种船舶类型的分布与船舶间的互相干扰。船舶间的互相干扰用船间干扰系数k3来修正。k3主要体现的是航道上非货运船对货运船的干扰，或者是船舶会遇时，由于互相避让，使得船舶减速而未能达到正常的行驶速度，从而对航道通航能力的影响。该数值一般稳定在0.81.0之间。对于有VTS服务的，并且受到严格交通管制的航道，k3取值为1.0。（4）人员因素在水运交通系统中，由于驾驶人员对船舶进行操纵控制，不同的驾驶人员对船舶的航行都有着不同的影响，该影响主要通过驾驶人员修正系数k4来修正。一般情况下，k4是由驾驶人员的驾驶技术水平、遵守交通法规、在该航道或相似航道的驾驶经验丰富程度来确定。通常取值在0.91.0之间，对于引航员所驾驶的船舶，该修正系数值取1.0。由于船舶航行在水系中，水流的不同流态对于航道的通航能力有着巨大的影响，本文主要从通航水流条件的角度来研究，基于河道水动力学模型的计算结果，分别对航深、航宽、弯道半径、桥梁净空及水流流速、流态等方面的因素进行分析，从而得出航道的实际通航能力和适航范围，为相关部门制定规划和实施监测提供一个理论依据。2.3 长江江津至重庆航段航道尺度航道尺寸主要是用来衡量航道环境的参数，主要包括航道水深、航道宽度、航道弯曲半径及跨河建筑物净空尺度等。2.3.1 航道水深航道水深是保障船舶顺利航行的基本要素之一，由于航道水深的水位变化会造成航道宽度、弯曲航道的曲率半径等一些航道参数的改变，因此航道水深成为了限制船舶载重和影响航道通航能力的最大因素。一般情况下，航道水深指的是在在设计的最低的通航水位条件下航道浅滩上的最小水深。按照内河通航标准的规定，航道水深可按照以下公式进行计算 H=T+H （2-3）式中：H航道水深，m T船舶吃水，m；根据航道条件和运输要求可取船舶、船队设计吃水或枯水期减载时的吃水 H富裕水深，m；指的是当船舶在标准载重时，静浮状态下船舶的龙骨至航道的底部的最小安全深度；可从表2-3富裕水深值中选取表2-3富裕水深值(m)航道等级富裕水深0.40.50.30.40.30.40.20.30.20.30.20.2 注： 1富裕水深值主要包括船舶航行下沉量和触底安全富裕量；2流速或风浪较大的水域取大值，反之取小值； 3卵石和岩石质河床富裕水深值应另加0.10.2m。2.3.2 航道宽度在设计最低通航水位的条件下，满足航道最小水深要求的航道底槽宽度称之为航道宽度。它的宽度取决于船舶（船队）尺度（长度、宽度等）；还取决于航道是单行航道还是双行航道；此外，航道横向水流和航道岸坡稳定性等因素也会对航道宽度造成一定的影响。（1）顺直航道可按照一下公式进行计算单线航道宽度： B1=BF+2d （2-4） BF=BS+Lsin （2-5）式中：B1直线段单线航道宽度，m BF船舶或船队航迹线宽度，m d船舶或船队外舷至航道边缘的安全距离，m；船队可取0.250.30倍航迹带宽度，货船可取0.340.40倍航迹带宽度； BS船舶或船队宽度，m L顶推船队长度或货船长度，m 船舶或船队航行漂角()；级航道可取3，级和级航道可取2。双线航道宽度： B2=BFd+BFu+d1+d2+C （2-6） BFd=Bsd+Ldsin （2-7） BFu=Bsu+Lusin （2-8）式中：B2直线段双线航道宽度，m BFd下行船舶或船队航迹带宽度，m BFu上行船舶或船队航迹带宽度，m d1下行船舶或船队外舷至航道边缘的安全距离，m d2上行船舶或船队外舷至航道边缘的安全距离，m C船舶或船队会船时的安全距离，m Bsd下行船舶或船队宽度，m Ld下行顶推船队长度或货船长度，m 船舶或船队航行漂角()；级航道可取3，级和级航道可取2； Bsu上行船舶或船队宽度，m Lu上行顶推船队长度或货船长度，m d1+d2+C各项安全距离之和(m)；船队可取0.500.60倍上行和下行航迹带宽度，货船可取0.670.80倍上行和下行航迹带宽度。（2）对于弯曲航道，为了船舶的航行安全，必须适当地加宽弯道内侧的航宽，其加宽值需要通过分析计算或试验研究来确定。由于船舶在弯曲航道中的运动非常复杂，为了便于对其研究，现对其作了了如下假定24：把弯曲航道看成一个近似的圆环，流线、航迹线边沿还有中心线都被看成同心的圆弧；船舶的转弯中心顺着与航迹线一致的圆弧轨迹运动；船舶的运动是定常的，即时间与船舶速度、水流速度和漂角均无关系。首先要确定船舶在无风力和水流作用下通过弯曲航道需要的宽度，其次按照叠加原理建立船舶穿过弯道时，在各种外在因素的影响下所需要的航道宽度25。由于航道内存在横向和纵向水流，导致船舶航行过程中会出现不断的偏转，在弯曲航道需要对航道进行加宽。水流速度u在X轴的分量，使得船舶在X轴方向漂移。图2-4是流致漂移量的计算示意图。图2-4 流致漂移量的计算示意图此外，风荷载对于弯曲航道的航宽也有着很大的影响。风荷载的作用与水流流速的影响类似，也是因为风速在在X轴方向的分量导致船舶的偏移，只不过风速的方向是随着船舶位置的不同而不同。2.3.3 航道弯曲半径航道弯曲半径指的是航道几何轴线的最小曲率半径，弯曲半径越小，晚到的加宽值越大，反之亦然，如此才能确保船舶的航行安全。确定航道弯曲半径，需要考虑很多因素，诸如弯道水流条件、船舶尺度等。按照内河通航标准中的规定，内河航道的最小弯曲半径，宜采用顶推船队长度的3倍或货船长度、拖带船队最大单船长度的4倍。在特殊困难河段，航道最小弯曲半径不能达到上述要求时，在宽度加大和驾驶通视均能满足需要的前提下，弯曲半径可适当减小，但不得小于顶推船队长度的2倍或货船长度、拖带船队最大单船长度的3倍。流速3m/s以上、水势汹涌的山区性河流航道，其最小弯曲半径宜采用顶推船队长度或货船长度的5倍。2.3.4 跨河建筑物的净空尺度在通航的河流上建设渡槽、架设桥梁或跨河电缆时，为了确保船舶航行安全，必须留有足够的净空尺度来满足船舶在洪水期通行。净空尺度包括净跨和净高两个尺度。净跨是指两个桥墩之间的最小距离，一般情况下不考虑桥孔内会遇情况，按照单行船队所需的最小宽度确定，而且需要考虑确保桥墩安全的富裕宽度。道桥的净空高度是指最高通航水位与到桥下边缘的最小高度，同时也需要考虑确保道桥安全的富裕高度，需要按照内河通航标准确定。第3章 长江江津至重庆航段不同流量级适航范围3.1 通航环境3.1.1 地理特征长江江津至重庆段位于川江的上川江段，流经大量的山区峡谷，有“峡江”之称。沿江两岸，有起伏的丘陵，连绵的山峰，陡峭的崖壁，蜿蜒曲折。江中水流湍急，岛礁密布，形成了许多大的江心洲，洲中植物繁茂，树木高大与岸边连绵的山峦相互印衬，形成了绝美的长江风光。3.1.2 水文特征本文研究航段处川江段。川江位于四川盆地的南部边缘，贯穿整个盆地的有岷江、沱江、嘉陵江和乌江，依次在这里流入川江，形成了长江上游庞大的水系，它的水量相比金沙江更加的充沛，气势更加磅礴逼人。川江有大小支流80多条，但南北水系的分布极不对称，北边多而长，南边少而短。各支流由四周向川江汇集，呈现典型的向心状水系，容易引起洪水顶托，发生水害。川江段流域面积广阔，涵盖我国近1/20国土，其巨大的年径流量占据长江入海水量近1/2。3.1.3 通航环境分析通航环境是指船舶运动所处的空间和条件，它包括船舶航行的自然条件（风、流、能进度等），航道条件（航道宽度、航道深度、净空高度、曲率半径等），交通条件（交通流量、交通管理规章、助航设施等）13。长江上游航道主要有以下几种通航特点，其一是通航水域限制，能够完全满足大型船舶通航的水域有限，并且受季节、地域、年份影响很大。在丰水期和枯水期、丰水年份和枯水年份，航道的通航宽度、通航水深都有着明显的差别，可供船舶安全航行的水域大小也随之变化，对于大型船舶的通航和载重量更是有着巨大的影响。其二是长江上游各种水工建筑物和长江大桥的大量修建，严重影响了船舶的通航能力。在长江江津至重庆段有江津长江大桥、重庆长江大桥共10余座公路、铁路桥。虽然近年来，交管部门对各种新建水利工程的通航论证做了许多强制性规定，但是由于以前存在的不合理规划和设计导致水工建筑物的阻航问题屡有发生，未能充分发挥长江“黄金水道”的作用。其三是由于船舶数量的快速增长，航道变得愈加拥挤，水运事故发生的概率有所增长。近年来，随着长江上游经济带和区域城市群建设的提出，水上交通得到了巨大的发展，水运已经成为长江上游地区交通发展不可或缺的一部分，但随着而来的就是水上交通的管理和监测，确保水运安全。其四是长江上游河道曲折蜿蜒，阻航物、危险航道和湍流较多。在长期水流的作用下，河道由于泥沙堆积产生暗礁、险滩和江心洲等阻航物，严重影响了船舶的航行安全。除此之外，船舶标准化和现代化程度不高，船舶的尺寸、吨位参差不齐，航道利用率低下，造成严重的资源浪费，同时，也不利于交管部门的管理。3.2 数据处理方法与过程3.2.1 基本数据的生成本文采用的长江江津至重庆航段的投影坐标数据，是一个多点型数据，共计13万多个。因为有些口门区和涡流处的数据不符合要求，所以进行了以下工作：首先将原始数据转换为excel数据，然后将纵向流速（U）和横向流速（V）通过速度合成公式生成总流速（V总）， V总=U2+V2 （3-1）再利用excel表格的筛选功能将不合理的总流速数据进行了剔除，最后得到了经过处理后158m、166m、172m和185m流量级的数据作为基本数据。3.2.2 数据处理过程及地形图的生成本文的数据处理主要运用的是ArcGIS软件中的ArcMAP模块，它是ESRI公司的产品，具有强大的空间分析和空间数据处理能力，因此被用来解决土地、环境、人口、灾害、规划、建设等重大问题。下面以158m流量级为例，阐述整个数据处理过程和数字化地形图的生成：（1） 加载数据到ArcMAP中。打开ArcMAP中的工具（Tools），出现的下拉菜单中选择Add XY Date，然后在Add XY Date对话框的Choose a table from the map or browse for another table选择加载158m流量级数据，在Coordinate System of Input Coordinates 选择Edit,在接下来的对话框中选择Select ,之后打开Projected Coordinate Systems中的Gauss Kruger，在出现的对话框中打开Beijing 1954，最后再选择Beijing 1954 3 Degree GK Zone 36.prj，点击Add就会将158m流量级数据加载到ArcMAP中，如图3-1所示。图3-1 158m流量级下Event（2） 创建水深tin和流速tin。点击3D Analyst，在出现的下拉菜单中选择Create/Modify TIN中的Create TIN from Features，在打开的对话框中选择江津至重庆158m$ Events图层，在Height source和Triangulate as中分别选择SH（水深）和mass points，点击ok，即可创建水深TIN，同理可创建出流速TIN，如图3-2和图3-3所示。图3-2 158m流量级下水深TIN图3-3 158m流量级下流速TIN（3） 创建水深和流速的栅格图。3D Analyst，在出现的下拉菜单中选择Convert中的TIN to Raster，在打开的对话框中，Input TIN选择水深TIN（SHtin）,Cell size修改为30m像元，其余的设定值保持不变，点击ok，即可得到水深栅格图。同理可得流速栅格图。如图3-4和图3-5所示。图3-4 158m流量级水深栅格图图3-5 158m流量级流速栅格图（4） 剪切出河道栅格图。点击Add Date，选择30m.shp河道轮廓线文件，即可将其加载到ArcMAP中。然后选择Spatial Analyst的水深栅格图（SHtingrid）图层，选择Spatial Analyst中的Options，在出现的对话框Extent中选择Same as layer “30”并确定。之后在ArcToolbox中打开Spatial Analyst Tools选择Extraction，在出现的菜单中双击Extract by Mask打开Extract by Mask对话框，Input raster选择水深栅格图（SHtingrid），Input raster or feature a mask date选择30m轮廓线，Output Raster选择剪切后的水深栅格图的存储位置，点击ok，即可得到剪切后河道水深栅格图。同理可得到剪切后河流流速栅格图。如图3-6和图3-7所示。图3-6 158m流量级剪切后河道水深栅格图图3-7 158m流量级剪切后河流流速栅格图（5） 插入等高线和等流速线。在Spatial Analyst下拉菜单选择Surface Analysis中的contour，然后在出现的对话框Input surface选择剪切后的水深栅格图层，点击ok即可将等高线添加在水深栅格图中，最后右击等高线图层，选择properties中的Labels，勾选Label features in this layer，在Text String Label Filed选择CONTOUR点击确定，即可水深栅格图中显示出等高线。同理可得到等流速线。（6） 航道适航范围确定。在Spatial Analyst下拉菜单选择Raster Calculator，然后编辑表达式： LS = 3.9 （3-2）式中：LS代表剪后流速栅格图，SH代表剪后水深栅格图，5.66代表船舶航行时的限制流速为5.66m/s，3.9代表船舶安全航行时的限制水深为3.9m，关于限制流速和限制水深，后续会有更详细的说明。点击Evaluate就可以得到航道适航范围，如图3-8所示。图3-8 158m流量级航道的适航范围（7） 计算适航区域所占面积。选择3D Analyst的Surface Analysis下拉菜单中的Area and Volume，然后在Input surface中选择适